Курсовая работа: Оптические накопители
Таким образом, основной минимальной единицей в формате CD-DA является дорожка, а в CD-ROM - сегмент.
Устройство накопителей на CD-ROM.
После прихода двух стандартов, описанных "Красной" и "Желтой" книгами, стояла одна существенная проблема: носители были строго привязаны к типам накопителей. То есть совмещение аудио и цифровых данных было в то время не реализовано. Появились диски смешанных форматов, хранящие в себе данные как CD-ROM, так и CD-DA. Причем первые данные (CD-ROM) записывались в начале диска. Это не совсем удобно, поскольку аудионакопители пытаются прочитать первую дорожку, чем могут навредить аудиоаппаратуре, а CD-ROM-накопители не могут одновременно читать программу и воспроизводить аудио.
В ноябре 1985 года представители ведущих производителей CD-ROM собрались для того, чтобы обсудить проблему совместимости и общего типа структурирования файловой системы для всех носителей. То есть требовался стандарт для файловой системы, структуры записи и чтения и т.п. Был составлен документ, который являлся спецификацией (название спецификации - HSG), определяющей логические и файловые форматы компакт-дисков. Документ носил рекомендательный характер, и хотя впоследствии многое определил для технологической отрасли в целом, цвета книги для него так и не нашлось. Предложение формата HSG-спецификации во многом базировалось на представлении структуры флоппи-диска, содержащего нулевой трек или системную дорожку, в которой хранятся данные о типе носителя и его файловой структуре с директориями, поддиректориями и файлами. CD организован немного по-другому. То есть все данные такого типа хранятся в служебной и системной областях. В первой хранится информация, необходимая для синхронизации между носителем и накопителем. Во второй - файловая структура, причем указываются прямые адреса файлов в поддиректориях, что сокращает время поиска.
Через три года (1988) был принят международный стандарт ISO-9660, основные положения которого были очень схожи с HSG-представлением. Этот стандарт описывал файловую систему CD-ROM и имел три уровня. Первый уровень выглядит примерно так:
- имена файлов могут содержать до 8 символов;
- в названиях файлов используются символы только верхнего регистра, цифры и символ "_";
- в именах файлов не допускаются специальные символы - "-,~,=,+";
- имена каталогов не могут иметь расширений;
- файлы не могут быть фрагментированы.
Второй и третий уровень ISO-9660 только облегчают и расширяют возможности первого. В частности, на втором уровне сняты ограничения по именам файлов и каталогов (например, разрешено уже создавать имена длиной в 32 символа), на третьем уже разрешается фрагментировать файлы. Стоить отметить, что ISO-9660 первого уровня стандартизирует в основном форматы файловых систем MS-DOS и HFS (Apple Macintosh). Второй уровень в данных системах уже не читаемый.
Для Apple Macintosh существует отдельно стандарт формата файловой системы HFS (Hierarchical File System). У данной платформы компьютеров своя особая иерархия файловой системы, из-за чего данный стандарт является востребованным. На один диск можно записать несколько форматов файловых систем одновременно.
Спецификация, разработанная в 1991 году, была выпущена в виде "Оранжевых книг" (Orange Books). Их две. Первая стандартизирует магнито-оптические накопители, которые могут стирать, перезаписывать информацию. Вторая книга посвящена накопителям с однократной записью, которые могут только дозаписывать. То есть во второй книге речь идет о CD-R (Recordable). Постепенно современные технологии стали позволять перезапись дисков. Мы говорим о CD-RW (Rewritable) или же CD-E (Erasable), что, по сути, является одним и тем же. Эти носители и накопители скорее всего подпадают под первую из "Оранжевых книг".
В 1993 году вышла "Белая книга" (White Book), в которой был стандартизирован новый продукт - Video CD, разработанный совместно JVC, Matsushita, Sony и Philips. В основу данного стандарта легла видеосистема Karaoke, разработанная JVC. Новый формат позволяет хранить 72 минуты видео со стереозвуком. Формат сжатия знаком многим - MPEG (Motion Picture Experts Group). Первая дорожка записывается в формате CD-ROM/XA, потом идет блок данных, содержащий сжатое видео. Основываясь на приобретениях, полученных с помощью стандарта "Белой Книги", эксперты впоследствии внесли существенные изменения в "Зеленую книгу".
В конце прошлого века накопители CD-R, достигшие к тому времени скоростей по записи/чтению 8Х/24Х, были вытеснены более универсальными накопителями CD-RW, позволяющими записывать не только диски с однократной записью, но и перезаписываемые.
В отличие от органических красителей, используемых для формирования активного слоя в дисках CD-R, в CD-RW активным слоем является специальный поликристаллический сплав (серебро-индий-сурьма-теллур), который переходит в жидкое состояние при сильном (500-700°С) нагреве лазером. При последующем быстром остывании жидких участков они остаются в аморфном состоянии, поэтому их отражающая способность отличается от поликристаллических участков. Возврат аморфных участков в кристаллическое состояние осуществляется путем более слабого нагрева ниже точки плавления, но выше точки кристаллизации (примерно 200 °С). Выше и ниже активного слоя располагаются два слоя диэлектрика (обычно двуокиси кремния), отводящих от активного слоя излишнее тепло в процессе записи; сверху все это прикрыто отражающим слоем, а весь "сэндвич" нанесен на поликарбонатную основу, в которой выпрессованы спиральные углубления, необходимые для точного позиционирования головки и несущие адресную и временную информацию.
В накопителе CD-RW используются три режима работы лазера, отличающиеся мощностью луча: режим записи (максимальная мощность, обеспечивающая переход активного слоя в неотражающее аморфное состояние), режим стирания (возвращает активный слой в отражающее кристаллическое состояние) и режим чтения (самая низкая мощность, не влияющая на состояние активного слоя).
Разрез носителя CD-RW или DVD+RW
Самая большая проблема, которая всегда преследовала изготовителей устройств записи на оптические диски, - опустошение буфера. Поскольку запись идет с постоянной (линейной или угловой) скоростью, в буфере дисковода постоянно должны присутствовать данные для записи. Если по каким-либо причинам (перегрузка ЦП другими задачами, проблемы в интерфейсе, сбой программы и т. п.) данные начинают поступать слишком медленно, может возникнуть ситуация, когда в буфере накопителя нет данных для записи следующего блока. В накопителях первых поколений это приводило к безвозвратной порче "болванки" в случае CD-R или необходимости стирать и заново записывать CD-RW. В конце 2000 г. Sanyo запатентовала технологию BURN-Proof (Buffer UndeRuN-Proof, т. е. защита от опустошения буфера), которая позволяла останавливать запись, если объем данных в буфере становился меньше определенного порога, и возобновлять ее с того же места при заполнении буфера. Сейчас вариации этих технологий (каждая фирма называет их по-своему: у Yamaha это "SafeBurn", у Acer - "Seamless Link", у Ricoh - "JustLink") применяются практически всеми изготовителями накопителей CD-RW.
Недостаточная емкость (650 или 700 Мбайт) CD-ROM и невозможность дальнейшего повышения производительности заставили задуматься о новом формате оптических дисков. История его возникновения, в отличие от простой и ясной истории создания CD, полна противоречий, столкновений и интриг. По первоначальному замыслу новый диск должен был прийти на смену видеокассетам VHS. У истоков DVD (первоначально эта аббревиатура расшифровывалась как "Digital Video Disk", т. е. "цифровой видеодиск", а позднее, когда на DVD стали записывать не только видео, превратилась в "Digital Versatile Disk", т. е. "цифровой многофункциональный диск"), стояли, с одной стороны, Matsushita Electric, Toshiba и кинокомпания Time/Warner, разработавшие технологию Super Disc (SD), а с другой - "родители" компакт-диска Sony и Philips со своей технологией Multimedia CD (MMCD). Поскольку два этих формата были абсолютно несовместимы друг с другом, в 1995 г. под давлением гигантов индустрии ИТ (Microsoft, Intel, Apple и IBM) для выработки единого стандарта была создана организация DVD Consortium, в которую вошли основные изготовители накопителей и носителей к ним, общим числом 11; впоследствии название было изменено на DVD Forum.
Аналогично разноцветным "книгам", определяющим форматы компакт-дисков, существует 5 документов, описывающих форматы DVD-ROM, DVD-Video, DVD-Audio, DVD-R (однократно записываемый DVD) и DVD-RAM (DVD с возможностью многократной записи). В последнее время появилось также два новых формата многократно записываемых дисков - DVD-RW и DVD+RW и один - однократно записываемых DVD+R.
В отличие от CD-ROM, которые бывают только односторонними и однослойными, DVD могут быть также двухслойными и двусторонними. Таким образом, существует 4 варианта DVD-дисков: DVD-5 (односторонний однослойный, емкость 4,7 Гбайт), DVD-9 (односторонний двухслойный, 8,5 Гбайт), DVD-10 (двусторонний однослойный, 9,4 Гбайт) и DVD-18 (двусторонний двухслойный, 17 Гбайт).
Каким же образом удалось разместить на точно таком же по размерам диске в 7-25 раз больше информации? Прежде всего благодаря применению вместо ИК-лазера с длиной волны 780 нм лазера красного диапазона с длиной волны 635 или 650 нм. Уменьшение длины волны позволило сократить минимальный размер "ямок" (углублений на покрытой отражающим слоем поверхности поликарбонатной основы диска, несущих информацию) с 0,83 до 0,4 мкм, а шаг дорожек - с 1,6 до 0,74 мкм, что дало общий выигрыш в емкости в 4,5 раза. Остальное было получено за счет применения более эффективных кодов коррекции ошибок, которые позволили значительно уменьшить процент, отводимый на эти коды в каждом пакете данных.
Возможность изготовления двухслойных дисков (отражающий материал первого слоя является полупрозрачным, так что можно фокусировать лазер на лежащем над ним втором отражающем слое) позволила поднять емкость еще почти в два раза (на самом деле несколько меньше, поскольку в полупрозрачном слое не удается достичь такой же плотности записи, как в полностью отражающем). Двухсторонний диск, который представляет собой как бы два односторонних, склеенных отражающими слоями внутрь (общая толщина диска при этом остается равной 1,2 мм), еще в два раза увеличил возможную емкость DVD, хотя в этом случае возникает определенное неудобство: диск приходится переворачивать вручную.
Повышение плотности размещения данных на диске привело к автоматическому увеличению скорости передачи данных при той же скорости вращения носителя. Так, в накопителе CD-ROM IX данные передаются со скоростью 150 кбайт/с, тогда как в DVD-ROM IX скорость передачи достигает 1250 кбайт/с, что соответствует 8Х CD-ROM. Современные накопители DVD достигли скоростей 16Х, что, как несложно подсчитать, дает 128Х для CD-ROM! Для обеспечения совместимости накопителей DVD с носителями CD применяются различные технические решения, в том числе смена фокусирующих линз, два лазера с длинами волн 780 и 650 нм или специальный голографический элемент, обеспечивающий правильную фокусировку для каждого типа носителя. Принятие в качестве основного формата файловой системы DVD разработанной OSTA спецификации UDF (Universal Disc Format), а точнее, ее подмножества, называемого MicroUDF, сняло проблемы, связанные с необходимостью разработки новых форматов всякий раз, когда появляется новый класс данных, которые необходимо записывать на диск. Поскольку эта спецификация включает и стандартную для CD-ROM файловую систему ISO-9660, решаются проблемы совместимости с ОС, поддерживающими эту систему. Диски DVD-ROM используют промежуточный формат UDF Bridge (в этом формате отсутствует поддержка разработанного Microsoft для работы с длинными и Unicode-именами файлов расширения ISO 9660, названного Joliet), тогда как для дисков DVD-Video применяется полный формат UDF. Файлы DVD-Video не должны превышать по размеру 1 Гбайт, не должны фрагментироваться (каждый файл должен занимать одну связную область диска), а ссылки на них, записанные в формате 8.3, должны располагаться в каталоге VIDEO_TS, который должен быть первым на диске. Аудиофайлы размещаются в отдельной области диска (DVD-Audio zone), а ссылки на них - в каталоге AUDIO_TS.
Видео записывается на DVD обычно в формате MPEG-2. Диски DVD-Video могут использовать несколько различных систем защиты от копирования, самая известная и простая из которых, доставляющая массу неудобств пользователям, - региональное кодирование. Весь мир разбивается по этой системе на семь регионов (страны бывшего СССР попадают в пятый регион вместе с Индией, Африкой, Северной Кореей и Монголией). Диск DVD-Video, предназначенный, скажем, для первого региона (США), по идее, не должен считываться дисководом или плейером для пятого региона. На практике, однако, в России чаще всего используются многорегиональные дисководы и диски.
Всего на данный момент существует шесть форматов записываемых DVD (в хронологическом порядке их появления): DVD-R for General, DVD-R for Authoring, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW и DVD+R. Сейчас ситуация складывается так, что первые четыре формата, скорее всего, уйдут в прошлое. Альянс основных изготовителей записываемых оптических накопителей, в который входят такие "киты", как HP, Sony, Ricoh и др., объединившихся вокруг технологий DVD+RW и DVD+R, похоже, не оставит им никаких шансов, хотя компания Pioneer, впервые предложившая формат DVD-RW в конце 1999 г. и добившаяся его одобрения в DVD Forum (DVD+RW пока такого одобрения не получил, несмотря на то, что все члены DVD+RW Alliance входят в число учредителей DVD Forum), не собирается пока сдавать своих позиций.